Le présent projet sera réalisé en quatre grandes étapes : la mise en place de deux modèles hydrologiques de structures contrastées, le calage et la validation de ces modèles en condition d’étiage, la simulation des débits dans un contexte de changements climatiques et l’analyse et l’interprétation des résultats afin d’évaluer l’incertitude associée au choix du critère de calage. La Figure 6.1 présente l’organigramme du projet.
6.1 Mise en œuvre des modèles hydrologiques
Les modèles hydrologiques qui seront mis en œuvre visent à représenter deux niveaux de complexité différents afin d’évaluer l’influence du choix du modèle sur l’incertitude des débits en changements climatiques. GR4J et SWAT seront les deux modèles retenus. Leur mise en œuvre a été faite à partir de données géographiques, hydrologiques et topographiques.
Le modèle hydrologique GR4J est relativement simple à implanter. Un modèle indépendant a été créé pour chacun des quatre sous-bassins puisqu’aucune méthode de routage n’est présente dans le modèle. L’aire de chaque sous-bassin est requise en plus des données météorologiques spécifiques fournies par le CEHQ. Étant donné que ces données proviennent d’une opération de krigeage, une moyenne pondérée a été réalisée à partir de la grille afin d’avoir des estimations météorologiques aux stations à l’étude.
Le modèle SWAT requiert des données d’élévation du sol (DEM), des données d’occupation du sol ainsi que des données de la composition du sol. Celles-ci sont décrites au Chapitre 5. Le modèle est bâti avec quatre stations de calage, trois réservoirs et 19 sous-bassins. Il a été mis en place avec l’utilitaire ArcSWAT disponible pour ArcGIS [Winchell et al., 2007].
6.2 Calage et validation
Les modèles GR4J et SWAT sont tous deux été calibrés avec sept critères de calage différents afin d’analyser si l’utilisation d’un critère spécifique à l’objectif visé améliore la performance du modèle et influence l’incertitude en période de changements climatiques. Les indicateurs choisis sont présentés au tableau 6.1. Certains critères sont calculés sur la période estivale, soit du 1er mai au 31 octobre, ceux-ci sont notés «ÉTÉ».
Le calage du modèle GR4J est réalisé indépendamment pour chaque modèle. C’est-à-dire qu’un jeu de paramètres différent est trouvé pour chacun des quatre sous-bassins à l’étude. Cette méthode est utilisée étant donné qu’aucun module de routage n’est disponible dans ce
modèle. Le calage est réalisé sur la période 1985-1999 et la validation sur la période 2000- 2010.
Tableau 6.1 Critères de calage du projet
Critère Description Équation
NSEQ NSE sur les débits
1 −∑ (Q − Q )
∑ Q − Q
NSEQ-ÉTÉ NSE calculé sur les débits de mai à
octobre 1 −∑ Q É É− Q É É
∑ Q É É− Q É É
NSElnQ NSE calculé le logarithme des
débits 1 −∑ (ln(Q∑ ln Q + η) − ln(Q+ η η − ln Q + η))
NSElnQ-ÉTÉ NSE calculé le logarithme des
débits de mai à octobre 1 −∑ ln(Q É É+ η) − ln Q É É+ η
∑ ln Q É É+ η η − ln Q É É
NSEsqrtQ NSE calculé sur la racine carrée
des débits 1 −∑ (sqrt(Q∑ sqrt Q + η) − sqrt(Q+ η η − sqrt Q + η)) NSEiQ NSE calculé sur l’inverse des débits
1 −∑ (1/Q − 1/Q )
∑ 1/Q − 1/Q
NSEQ et p7Q2 Valeur du faible débit sur 7 jours
avec une récurrence de deux ans combinée à un seuil NSE sur les débits
( )
et 1 −∑∑ > 0.3
Le calage du modèle SWAT est tout d’abord réalisé pour l’ensemble du bassin versant afin de fixer les paramètres de neige. Cette méthode est utilisée étant donné que les processus de neige n’influencent pas les étiages. Par la suite, le calage est raffiné en changeant chacun des paramètres des quatre bassins simultanément. La période de calage est de 1997-2009 et celle de validation, 1985-1996.
Le processus de calage est basé sur la méthode Parasol [Van Griensven, 2007] qui permet de faire l’analyse des paramètres et du calage simultanément. La fonction objective est tout d’abord minimisée en utilisant l’algorithme d’optimisation SCE-UA [Duan et al., 1992]. Par la suite, les simulations réalisées par le SCE-UA sont divisées en deux catégories, les «bonnes» et les «mauvaises». Le SCE-UA échantillonne à travers tout le spectre des paramètres afin d’obtenir la solution optimale. La méthode du «bootstrap» [Ritter et Munoz. 2013] est utilisée afin d’établir un seuil qui distingue les «bonnes» des «mauvaises» simulations. Cette
méthode établit la distribution des meilleures fonctions objectives afin d’établir l’intervalle de confiance établi à 95%.
Ce processus de calage produit une distribution des «bons» jeux de paramètres. La distribution obtenue permet d’évaluer l’incertitude associée à la variation des paramètres en fonction du critère de calage utilisé. Les simulations réalisées avec l’ensemble des bons jeux de paramètres sont notés «All» tandis que celles qui sont présentés avec le meilleur jeu (l’optimum de la fonction) sont notés «Best».
6.3 Simulations en climat actuel et futur
Suite à la mise en œuvre, au calage et à la validation des deux modèles à l’étude, des simulations en climat de référence et futur sont effectuées. Les données météorologiques proviennent des projections climatiques de cinq membres du MRCC et de sept modèles provenant du projet NARCCAP. Le scénario d’émission de gaz à effet de serre A2 est utilisé pour ces projections climatiques.
La distribution des résultats des indicateurs d’étiage en climat référence et futur permet d’établir l’incertitude de chacun des modèles, des critères de calage et des stations.
6.4 Analyse de l’incertitude
Dans un premier temps, les simulations hydrologiques sont réalisées avec les données météorologiques en période de référence issues des projections climatiques. Les douze projections climatiques permettent d’établir l’incertitude de la structure du modèle climatique et des conditions initiales sur les indicateurs d’étiage 7Q2 et 7Q10. Par la suite, les simulations sont réalisées avec les données météorologiques futures afin de comparer l’incertitude avec celle calculée en climat actuel. Cette information permet de valider dans quelle mesure les différents calages et modèles hydrologiques sont adaptés aux changements climatiques.
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